نشریه علمی هیدرولیک

نشریه علمی هیدرولیک

کاربرد SPM در تخمین ضریب سرعت در کانال‌های هندسی

نوع مقاله : مقاله کامل (پژوهشی)

نویسندگان
1 گروه عمران، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد
2 گروه عمران و محیط زیست، موسسه آموزش عالی اسرار، مشهد
چکیده
مقدار ضریب سرعت (α) و تغییرات آن در عرض سطح آزاد آب در کانال‌های هندسی تاکنون بطور مشخص مورد بررسی قرار نگرفته است. در این پژوهش، با استفاده از روش تک نقطه‌ای (SPM)، که یک روش آسان و کم‌هزینه است، تغییرات ضریب سرعت در عرض سطح آزاد آب در کانال‌های هندسی مورد بررسی قرار گرفته است. این ضریب با استفاده از روش مذکور و با درنظر گرفتن توزیع قائم سرعت توانی، برای هر نقطه از سطح آزاد آب بدست آمده و سپس ضریب سرعت برای کل مقطع، به‌صورت میانگین وزنی محاسبه گردید. صحت-سنجی نتایج با استفاده از داده‌های آزمایشگاهی انجام شد که با توجه به خطای نسبی زیر 5%، نشان‌دهنده دقت بسیار خوب مدل SPM است. نتایج نشان می‌دهند که در تمام مقاطع هندسی، با باریک شدن مقطع کانال، محل سرعت حداکثر از سطح آزاد آب دور شده و مقدار ضریب α محلی افزایش می‌یابد (α=1.04 در کانال مستطیلی باریک) و در کانال‌های عریض، محل سرعت حداکثر به سطح آزاد نزدیک شده و مقدار ضریب α محلی کاهش پیدا می‌کند (α=0.714 در کانال ذوزنقه‌ای عریض). بنابراین، ارتباط کلی بین تغییرات منحنی‌های هم‌سرعت و ضریب α نتیجه گرفته و مشخص شد مقدار پیش‌فرض 0.85 برای ضریب سرعت نمی‌تواند در تمام شرایط هندسی قابل کاربرد باشد. علاوه‌بر این، مقایسه‌هایی بین ضریب سرعت بدست آمده از SPM و سایر پژوهش‌ها انجام شد که نشان داد محدوده تغییرات بدست آمده برای ضریب α در کانال‌های هندسی، در محدوده قابل قبول است و مقادیر خطای نسبی در شرایط مشابه از 0.92% تا 12.67% متغیر است
کلیدواژه‌ها

موضوعات


Abbaszadeh, H., Norouzi, R., Sume, V., Kuriqi, A., Daneshfaraz, R. & Abraham, J. (2023). Sill role effect on the flow characteristics (Experimental and regression model analytical). Fluids, 8(235), 1-18, https://doi.org/10.3390/fluids8080235.
Biggs, H., Smart, G.M., Doyle, M., Eickelberg, N., Aberle, J., Randall, M. & Detert, M. (2023). Surface velocity to depth-averaged velocity—A review of methods to estimate alpha and remaining challenges. Water, 15(3711), 1-21, https://doi.org/10.3390 /w15213711.
Biggs, H., Doyle, M., McDonald, M., Smart, G., Holwerda, N. & Ede, M. (2021). River discharge from surface velocity measurements a field guide for selecting alpha. National Institute of Water & Atmospheric Research Ltd, Christchurch, New Zealand.
Cao, L., Weitbrecht, V., Li, D. & Detert, M. (2020). Airborne feature matching velocimetry for surface flow measurements in rivers. Journal of Hydraulic Research, 59(4), 637-650.  
Chen, C.L. (1991). Unified theory on power laws for flow resistance. J. Hydraulic Eng., ASCE 117 (3), 371–389.
Chen, Y.C., Hsu, Y.C., and Zai, E.O. (2022). Streamflow measurement using mean surface velocity. Water, 14(15), 1-15, https://doi.org/ 10.3390/w14152370
Costa, J.E., Spicer, K.R., Cheng, R.T., Haeni, F.P., Melcher, N.B., Thurman, E.M., Plant, W.J. & Keller, W.C. (2000). Measuring stream discharge by non-contact methods: A proof-of-concept experiment. Geophysical Research Letters, 27(4), 553–556.
Detert, M., Johnson, E.D. & Weitbrecht, V. (2017). Proof‐of‐concept for low‐cost and non‐contact synoptic airborne river flow measurements. International Journal of Remote Sensing, 38(8-10), 2780–2807.
Dolcetti, G., Hortobágyi, B., Perks, M., Tait, S.J. & Dervilis, N. (2022). Using noncontact measurement of water surface dynamics to estimate river discharge. Water Resources Research, 58(9), 1–23, https://doi. org/10.1029/2022WR032829.
Fujita, I., Muste, M. & Kruger, A. (1998). Large-scale particle image velocimetry for flow analysis in hydraulic engineering applications. Journal of Hydraulic Research, 36(3), 397–414.
Fujita, I. (2018). Principles of surface velocity gaugings. In: Proceedings of the 4th IAHR-WMO-IAHS Training Course on Stream Gauging, Lyon, France.
Fulton, J.W., Mason, Ch.A., Eggleston, J.R., Nicotra, M.J., Chiu, Ch., Henneberg, M.F., Best, H.R., Cederberg, J.R., Holnbeck, S.R., Lotspeich, R.R., Laveau, Ch.D., Moramarco, T., Jones, M.E., Gourley, J.J. & Wasielewski, D. (2020). Near-field remote sensing of surface velocity and river discharge using radars and the probability concept at 10 U.S. Geological Survey stream gages. Remote Sensing, 12(8), 1-28, https://doi.org/10.3390/ rs12081296.
Ghorbani, Z., Zahiri, A., Khalili Shayan, H., Dehghani, A.A. & Ghorbani, Kh. (2023). Experimental Investigation of Effective Factors on the Velocity Index for Calculating Discharge in Open Channels. Iranian Journal of Irrigation and Drainage, 17(5), 997–1009. (In Persian)
Gunawan, B., Sun, X., Sterling, M., Shiono, K., Tsubaki, R., Rameshwaran, P., Knight, D.W., Chandler, J.H., Tang, X. & Fujita, I. (2012). The application of LS-PIV to a small irregular river for inbank and overbank flows. Flow Measurement and Instrumentation, 24, 1–12, https://doi.org/10.1016/ j.flowmeasinst.2012.02.001.
Hassanzadeh, Y., Abbaszadeh, H., Abedi, A. & Abraham, J. (2024). Numerical simulation of the effect of downstream material on scouring-sediment profile of combined spillway-gate. AQUA- Water Infrastructure, Ecosystems, and Society, 73(12), 1-22, doi: 10.2166/aqua.2024.360.
Hauet, A., Morlot, T. & Daubagnan, L. (2018). Velocity profile and depth-averaged to surface velocity in natural streams: A review over a large sample of rivers. In: Proceedings of the River Flow, Lyon, France, https://doi.org/10.1051/e3sconf/ 20184006015.
Jolley, M.J., Russell, A.J., Quinn, P.F. & Perks, M.T. (2021). Considerations when applying large-scale PIV and PTV for determining river flow velocity. Frontiers in Water, 3(709269), 1–21, https://doi.org /10.3389/frwa.2021.709269.
Johnson, E.D. & Cowen, E.A. (2016). Remote monitoring of volumetric discharge employing bathymetry determined from surface turbulence metrics. Water Resources Research, 52(3), 2178–2193.
Johnson, E.D. & Cowen, E.A. (2017). Remote determination of the velocity index and mean streamwise velocity profiles. Water Resources Research, 53(9), 7521–7535.
Kinzel, P.J. & Legleiter, C.J. (2019). sUAS-based remote sensing of river discharge using thermal particle image velocimetry and bathymetric lidar. Remote Sensing, 11(19), 1–19, https://doi.org/ 10.3390/rs11192317.
Le Coz, J., Hauet, A., Pierrefeu, G., Dramais, G. & Camenen, B. (2010). Performance of image-based velocimetry (LSPIV) applied to flash-flood discharge measurements in Mediterranean rivers. Journal of Hydrology, 394(1-2), 42–52.
Maghrebi, M.F. (2003). Discharge estimation in flumes using a new technique for the production of isovel contours. In: Proceedings of Inter. Conf. on Civil and Envi. Eng., ICCEE, Hiroshima, Japan.
Maghrebi, M.F. & Rahimpour, M. (2005). A simple model for estimation of dimensionless isovel contours in open channels. Flow Measurement and Instrumentation, 16(6), 347–352.
Maghrebi, M.F. (2006). Application of the single point measurement in discharge estimation. Advances in Water Resources, 29(10), 1504–1514.
Maghrebi, M.F. & Ball, J.E. (2006). New method for estimation of discharge. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 32(10), 1044–1051.
Maghrebi, M.F. & Ahmadi, A. (2017). Stage-discharge prediction in natural rivers using an innovative approach. Journal of Hydrology, 545, 172–181.
Moramarco, T., Barbetta, S. & Tarpanelli, A. (2017). From surface flow velocity measurements to discharge assessment by the entropy theory. Water, 9(2), 1-12, https://doi.org/10.3390/w9020120.
Muste, M., Ho, H.-C. & Kim, D. (2011). Considerations on direct stream flow measurements using video imagery: Outlook and research needs. Journal of Hydro-environment Research, 5(4), 289–300.
Nezu, I. & Nakagawa, H. (1993). Turbulence in open-channel flows. IAHR-Monograph. Rotterdam, The Netherlands: A.A. Balkema Publishers.
Osorio-Cano, J.D., Osorio, A.F. & Medina, R. (2013). A method for extracting surface flow velocities and discharge volumes from video images in laboratory. Journal of Flow Measurement and Instrumentation, 33,188–196.
Polatel, C. (2006). Large-scale roughness effect on free- surface and bulk flow characteristics in open- channel flows. PhD Thesis, Iowa Institute of Hydraulic Research, The University of Iowa, Ames, Iowa.
Pumo, D., Alongi, F., Nasello, C. & Noto, L.V. (2025). A simplified method for estimating the alpha coefficient in surface velocity based river discharge measurements. Journal of Hydrology, 648, 1–15, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.132468
Randall, M. (2021). National industry guidelines for hydrometric monitoring—Part 11: application of surface velocity methods for velocity and open channel discharge measurements. Bureau of Meteorology Publication, Melbourne, Australia.
Rantz, S. (1982). Measurement and computation of stream-flow: Measurement of stage and discharge. U.S. Geological Survey Water Supply Paper, United States Government Printing Office: Washington, DC, USA, 2175.
Smart, G.M. & Biggs, H.J. (2020). Remote gauging of open channel flow: Estimation of depth averaged velocity from surface velocity and turbulence. In: Proceedings of the River Flow, Delft, The Netherlands.
Turnipseed, D. & Sauer, V. (2010). Discharge measurements at gaging stations (No. 3-A8). United States Geological Survey Report, United States Geological Survey: Reston, VA, USA, No. 3-A8.
Welber, M., Le Coz, J., Laronne, J.B., Zolezzi, G., Dramais, G., Hauet, A. & Salvaro, M. (2016). Field assessment of noncontact stream gauging using portable surface velocity radars (SVR). Water Resources Research, 52(2), 1108–1126.
Yen, B.C. (2002). Open channel flow resistance. J. Hydraulic Eng., ASCE, 128(1), 20–39.

  • تاریخ دریافت 18 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 22 شهریور 1404
  • تاریخ پذیرش 16 مهر 1404